塔山煤矿孤岛工作面沿空二次掘巷技术应用

王 宁

（山西同煤大唐塔山煤矿有限公司，山西 大同 037006）

孤岛工作面是指位于采空区之间形状不规则的待采工作面，其临近采空区区域煤柱应力集中，复杂的应力条件不仅给煤炭开采带来困难，在工作面初期的巷道掘进过程中，巷道稳定性也受到严峻考验。如何保证高应力条件下孤岛工作面沿空掘巷的巷道稳定性，对于提高煤炭采掘安全，提高资源回收率具有重要的应用意义和推广价值。本文以塔山煤矿孤岛工作面5204-2巷道为研究对象，对孤岛工作面沿空掘巷巷道的破坏机理及掘进方式展开研究。

1 工程背景

1.1 工程地质概况

塔山煤矿8204-2孤岛工作面位于井田东南部、二盘区东北部，东邻8202采空区，西南为8204采空区，西北部为F13810断层，东南部为二盘区回风巷。8204-2工作面为“刀把”工作面，工作面可采走向长度1600m，倾向长度于采位1178m处工作面加宽63m，倾向长146～209m。3～5#煤层平均可采厚度12.56m，中夹2～9层夹矸，平均2.65m，单层厚度在0.15～6.81m间变化。5204-2巷为回风兼作材料、设备巷，矩形断面，变煤柱段采用锚杆+锚索+JW钢带+组合锚索+金属网支护，巷道长度1516.2m。巷道顶底板岩性特征见表1。

1.2 存在的问题

塔山煤矿3～5#联合煤层二盘区5204-2巷474m～894m（420m）区域为煤柱变化段，煤柱最大为63m，最小为6m。5204-2巷压力显现明显区域，距离顶板8～10m岩层存在破碎区域，在此区域钻孔打锚索时，装药卷困难。该区域装药卷需反复透孔、送药卷，耗时耗力。后期在里程664～670m的顶板采取超前预注粘接材料施工，顶板施工锚索上药卷相对容易，由于煤层破碎，注粘接材料达不到预期效果，且由于注粘接材料后顶板局部密实，顶板压力无法有效释放，当压力集中到一定程度时，顶板产生异响，存在安全隐患，于是取消了预注粘接材料的施工措施。尝试注水泥浆加固顶板，尝试多次后，水泥浆不易注入，后停注。5204-2巷工作面压力显现明显，频繁产生异响，片帮严重。5204-2巷施工缓慢，极大地影响了生产效率。

表1 煤层顶底板岩性特征

2 孤岛工作面沿空掘巷巷道稳定性分析

8204-2工作面两侧为均已采空的孤岛煤柱，其应力分布随回采引起的支承压力影响距离及工作面长度而变化。5204-2巷一侧为8202采空区，中间间隔厚度变化的实体煤柱，另一侧为待开采的8204-2工作面。8204-2工作面实体煤区域基本顶为固支条件，为关键块A；工作面两端与采空区接触区域呈现弧形破断形态，在力学结构上为弧形三角块体B；在采空区上覆块体形成破断块体C。块体A、块体B及块体C通过三角铰接结构联结在一起，如图1所示。孤岛工作面沿空掘巷的巷道稳定性取决于上覆基本顶的稳定程度。

图1 孤岛工作面沿空掘巷示意图

孤岛工作面沿空掘巷与普通工作面沿空掘巷最大的区别在于应力增高系数的不同。普通工作面一侧为采空区，煤柱边缘应力增高系数为3，应力分布范围为80m左右；孤岛工作面两侧均为采空区，工作面的宽度在6～63m区间变化时，应力分布状态为钟形分布，煤柱边缘的应力增高系数高达7以上。但二者的力学模型基本一致。由于对沿空掘巷稳定性影响最大的关键层主要是基本顶，为研究沿空掘巷巷道稳定性，将孤岛工作面沿空掘巷的受力结构化简为平面梁力学结构，孤岛工作面沿空掘巷上方的顶板可以简化为平面梁结构。孤岛工作面沿空掘巷巷道力学模型如图2所示[1]。

图2 孤岛工作面沿空掘巷失稳力学模型

考虑8204-2工作面回采期间孤岛工作面沿空掘巷巷道主要变形是由于上覆岩层的回转失稳引起，回转失稳程度由基本顶岩层的断裂强度、基本顶梁的长度和宽度、两侧采空区的压实率决定。根据图2假设沿空巷道顶板下沉值与块体B回转下沉值等量，即可推理得到孤岛工作面沿空巷道下沉值与块体B回转角度关系，见式（1）：

式中：

w-巷道顶板中心最大下沉值，m；

s-顶板断裂位置距离煤帮距离，m；

b-巷道宽度，m；

α-块体B的回转角度，°；

γ-巷道上覆岩层容重，kN/m3；

H-巷道埋深，m；

Kc-弹性地基梁系数。

由式（1）可知，随着顶板支护强度的增加，巷道顶板中心最大下沉值不断减小。所以提高孤岛工作面沿空掘巷巷道的稳定性应该从增加支护强度和控制顶板岩层损伤范围两方面考虑，以保证巷道采掘期间的稳定性。

3 沿空二次掘巷支护方案

针对5204-2巷压力显现遇到的各种影响问题，经过现场调研及现场试验，提出改变巷道掘进方式，采取沿空二次掘巷的掘进方式[2-3]，即5204-2顺槽巷设计宽5.5m，先在采煤帮截割3.8m，后扩刷至5.5m。原设计一次截割成巷顶板来压明显，两帮片帮严重，截割及支护时产生频繁异响，掘进机截割时间及支护时间较长，支护可靠性较低。采取沿空二次掘巷的掘进方式（如图3所示）需2次截割，工序较繁琐，但两次截割成巷相对一次截割成巷顶板岩层稳定性明显改善，矿压现象减缓，异响次数减少60%。现场试验发现，沿空二次掘巷的掘进方式巷道截割时间和支护时间较一次性全断面成巷时间明显减少，支护强度高。

图3 5204-2巷道变煤柱段掘进支护平面图

4 巷道控制效果对比分析

（1）由于采取沿空二次掘巷方案，一部分巷道截割成型后，再截割剩余部分巷道，巷道上方顶板的应力释放缓慢，有助于应力增高系数的缓慢降低，提高围岩的稳定性，矿压显现有所延缓，巷道片帮得到有效控制。

（2）一次性截割成巷时，11.3m锚索在8.6～9.1m处存在碎煤区域，上药卷困难，平均每一根11.3m锚索的打设时间为1h左右。采取沿空二次掘巷方案后，4.3m、6.3m锚索一次支护到位，巷道顶板8.6～9.1m区域较完整，平均每一根11.3m锚索的打设时间为0.5h左右，支护时间缩短50%，大大提高了支护效率。

（3）原支护方案和小断面掘进支护方案对比，支护量并没有因支护方案的变化有所增加。

5 结论

为解决孤岛工作面煤柱变化段沿空掘巷巷道稳定性低的问题，通过现场调研、理论分析计算，进行了孤岛工作面沿空二次掘巷技术的应用研究。研究发现，孤岛工作面沿空二次掘巷技术能有效地延缓顶板来压，提高支护的有效性，有效保证巷道的成型，同时提高工人工作时的安全系数，是煤矿安全、有效生产的一项重要措施，实践过程对同类型矿井类似巷道的掘进具有积极的推广和借鉴意义。